Воздействие на ионный канал коронавируса может привести к созданию новых лекарств от COVID-19

Геном вируса SARS-CoV-2 кодирует 29 белков, один из которых представляет собой ионный канал под названием E. Этот канал, транспортирующий протоны и ионы кальция, побуждает инфицированные клетки запускать воспалительную реакцию, которая повреждает ткани и способствует развитию симптомов. COVID-19.

Химики Массачусетского технологического института теперь обнаружили структуру «открытого» состояния этого канала, позволяющего ионам проходить через него. Эта структура в сочетании со структурой «закрытого» состояния, о которой сообщила та же лаборатория в 2020 году, может помочь ученым выяснить, что заставляет канал открываться и закрываться. Эти структуры также могут помочь исследователям в разработке противовирусных препаратов, которые блокируют канал и помогают предотвратить воспаление.

«Канал Е является мишенью противовирусных препаратов. Если вы сможете остановить передачу кальция по каналу в цитоплазму, то у вас есть способ уменьшить цитотоксическое действие вируса», — говорит Мэй Хонг, профессор химии Массачусетского технологического института и старший автор исследования.

Постдок Массачусетского технологического института Жоау Медейрос-Сильва является ведущим автором исследования, которое опубликовано сегодня в журнале Science Advances. Авторами статьи также являются постдоки Массачусетского технологического института Аурелио Дрегни и Пу Дуань, а также аспирант Ной Сомберг.

Открытые и закрытые

Хонг имеет большой опыт изучения структур белков, встроенных в клеточные мембраны, поэтому, когда в 2020 году началась пандемия COVID-19, она обратила свое внимание на Е-канал коронавируса.

Когда SARS-CoV-2 заражает клетки, E-канал внедряется в мембрану, окружающую клеточную органеллу, называемую промежуточным компартментом ER-Гольджи (ERGIC). Внутренняя часть ERGIC имеет высокую концентрацию протонов и ионов кальция, которые E-канал транспортирует из ERGIC в цитоплазму клетки. Этот приток протонов и кальция приводит к образованию мультибелковых комплексов, называемых инфламмасомами, которые вызывают воспаление.

Для изучения встроенных в мембрану белков, таких как ионные каналы, Хонг разработал методы, использующие спектроскопию ядерного магнитного резонанса (ЯМР) для выявления структур этих белков на атомном уровне. В предыдущей работе ее лаборатория использовала эти методы для открытия структуры белка гриппа, известного как протонный канал М2, который, как и белок Е коронавируса, состоит из пучка нескольких спиральных белков.

В начале пандемии лаборатория Хонга использовала ЯМР для анализа структуры Е-канала коронавируса при нейтральном pH. Полученная структура, о которой сообщалось в 2020 году, состояла из пяти спиралей, плотно связанных вместе, что выглядело как закрытое состояние канала.

«К 2020 году мы усовершенствовали все технологии ЯМР для определения структуры такого рода альфа-спиральных пучков в мембране, поэтому мы смогли решить закрытую E-структуру примерно за шесть месяцев», — говорит Хонг.

Установив закрытую структуру, исследователи приступили к определению структуры открытого состояния канала. Чтобы заставить канал принять открытую конформацию, исследователи подвергли его более кислой среде, а также более высокому уровню ионов кальция. Они обнаружили, что в этих условиях верхнее отверстие канала (часть, которая входила в ERGIC) становилось шире и покрывалось молекулами воды. Такое покрытие воды делает канал более привлекательным для проникновения ионов.

Это отверстие поры также содержит аминокислоты с гидрофильными боковыми цепями, которые свисают с канала и помогают притягивать положительно заряженные ионы.

Исследователи также обнаружили, что, хотя закрытый канал имеет очень узкое отверстие вверху и более широкое отверстие внизу, в открытом состоянии все наоборот: шире вверху и уже внизу. Отверстие внизу также содержит гидрофильные аминокислоты, которые помогают проводить ионы через узкие «гидрофобные ворота» в середине канала, позволяя ионам в конечном итоге выйти в цитоплазму.

Рядом с гидрофобными воротами исследователи также обнаружили тугой «пояс», состоящий из трех копий фенилаланина — аминокислоты с ароматической боковой цепью. В зависимости от того, как устроены эти фенилаланины, боковые цепи могут либо проникать в канал, чтобы блокировать его, либо открываться, пропуская ионы.

«Мы считаем, что конформация боковой цепи этих трех регулярно расположенных остатков фенилаланина играет важную роль в регулировании закрытого и открытого состояния», — говорит Хонг.

Вирусный таргетинг

Предыдущие исследования показали, что когда вирусы SARS-CoV-2 мутируют и не производят Е-канал, вирусы вызывают гораздо меньше воспалений и наносят меньше повреждений клеткам-хозяевам.

Работая с коллегами из Калифорнийского университета в Сан-Франциско, Хонг в настоящее время разрабатывает молекулы, которые могли бы связываться с Е-каналом и предотвращать перемещение ионов через него, в надежде создать противовирусные препараты, которые уменьшат воспаление, вызываемое SARS-CoV-2. .

Ее лаборатория также планирует изучить, как мутации в последующих вариантах SARS-CoV-2 могут повлиять на структуру и функцию Е-канала. В варианте Омикрона одна из гидрофильных или полярных аминокислот, обнаруженных в порах, мутирует в гидрофобную аминокислоту, называемую изолейцин.

«Вариант E в Omicron — это то, что мы хотим изучить дальше», — говорит Хонг. «Мы можем создать мутанта и увидеть, как нарушение этой полярной сети меняет структурный и динамический аспект этого белка».

Медейрос-Сильва Дж., Дрегни А.Дж., Сомберг Н.Х., Дуан П., Хонг М.
Атомная структура открытого виропорина SARS-CoV-2 E.
Научный адв. 13 октября 2023 г.;9(41):eadi9007. дои: 10.1126/sciadv.adi9007